ClassLoader工作機制

一、ClassLoader概念

　　ClassLoader是用來動態的加載class文件到虛擬機中，並轉換成java.lang.class類的一個實例，每個這樣的實例用來表示一個java類，我們可以根據Class的實例得到該類的信息，並通過實例的newInstance()方法創建出該類的一個對象，除此之外，ClassLoader還負責加載Java應用所需的資源，如圖像文件和配置文件等。

　　ClassLoader類是一個抽象類。如果給定類的二進制名稱，那么類加載器會試圖查找或生成構成類定義的數據。一般策略是將名稱轉換為某個文件名，然后從文件系統讀取該名稱的“類文件”。ClassLoader類使用委托模型來搜索類和資源。每個 ClassLoader實例都有一個相關的父類加載器。需要查找類或資源時，ClassLoader實例會在試圖親自查找類或資源之前，將搜索類或資源的任務委托給其父類加載器。  

　　注意：程序在啟動的時候，並不會一次性加載程序所要用的所有class文件，而是根據程序的需要，通過Java的類加載機制來動態加載某個class文件到內存中。

二、JVM平台提供三層classLoader

1. Bootstrap classLoader：采用native code實現，是JVM的一部分，主要加載JVM自身工作需要的類，如java.lang.*、java.uti.*等； 這些類位於$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar。Bootstrap ClassLoader不繼承自ClassLoader，因為它不是一個普通的Java類，底層由C++編寫，已嵌入到了JVM內核當中，當JVM啟動后，Bootstrap ClassLoader也隨着啟動，負責加載完核心類庫后，並構造Extension ClassLoader和App ClassLoader類加載器。
2. ExtClassLoader：擴展的class loader，加載位於$JAVA_HOME/jre/lib/ext目錄下的擴展jar。
3. AppClassLoader:系統class loader，父類是ExtClassLoader，加載$CLASSPATH下的目錄和jar；它負責加載應用程序主函數類。

　　其體系結構圖如下：

　　

　　如果要實現自己的類加載器，不管是實現抽象列ClassLoader，還是繼承URLClassLoader類，它的父加載器都是AppClassLoader，因為不管調用哪個父類加載器，創建的對象都必須最終調用getSystemClassLoader()作為父加載器，getSystemClassLoader()方法獲取到的正是AppClassLoader。

　　注意：Bootstrap classLoader並不屬於JVM的等級層次，它不遵守ClassLoader的加載規則，Bootstrap classLoader並沒有子類。

三、JVM加載class文件到內存有兩種方式

1. 隱式加載：不通過在代碼里調用ClassLoader來加載需要的類，而是通過JVM來自動加載需要的類到內存，例如：當類中繼承或者引用某個類時，JVM在解析當前這個類不在內存中時，就會自動將這些類加載到內存中。
2. 顯示加載：在代碼中通過ClassLoader類來加載一個類，例如調用this.getClass.getClassLoader().loadClass()或者Class.forName()。

四、ClassLoader加載類的過程

1. 找到.class文件並把這個文件加載到內存中
2. 字節碼驗證，Class類數據結構分析，內存分配和符號表的鏈接
3. 類中靜態屬性和初始化賦值以及靜態代碼塊的執行

 五、自定義類加載器

　　1、為何要自定義類加載器？

　　JVM提供的類加載器，只能加載指定目錄的jar和class，如果我們想加載其他位置的類或jar時，例如加載網絡上的一個class文件，默認的ClassLoader就不能滿足我們的需求了，所以需要定義自己的類加載器。

　　2、如何實現自定義的類加載器？

　　我們實現一個ClassLoader，並指定這個ClassLoader的加載路徑。有兩種方式：

　　方式一：繼承ClassLoader，重寫父類的findClass()方法，代碼如下：

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
public class PathClassLoader extends ClassLoader
{
    public static final String drive = "d:/";
    public static final String fileType = ".class";

    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        PathClassLoader loader = new PathClassLoader();
        Class<?> objClass = loader.loadClass("HelloWorld", true);
        Object obj = objClass.newInstance();
        System.out.println(objClass.getName());
        System.out.println(objClass.getClassLoader());
        System.out.println(obj.getClass().toString());
    }

    public Class<?> findClass(String name)
    {
        byte[] data = loadClassData(name);
        return defineClass(name, data, 0, data.length);// 將一個 byte 數組轉換為 Class// 類的實例
    }
    public byte[] loadClassData(String name)
    {
        FileInputStream fis = null;
        byte[] data = null;
        try
        {
            fis = new FileInputStream(new File(drive + name + fileType));
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int ch = 0;
            while ((ch = fis.read()) != -1)
            {
                baos.write(ch);
            }
            data = baos.toByteArray();
        } catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        return data;
    }
}

　　在第13行，我們調用了父類的loadClass()方法，該方法使用指定的二進制名稱來加載類，下面是loadClass方法的源代碼：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name))
        {
            // 第一步先檢查這個類是否已經被加載
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null)
            {
                long t0 = System.nanoTime();
                try
                {
                    //parent為父加載器
                    if (parent != null)
                    {
                        //將搜索類或資源的任務委托給其父類加載器
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else
                    {
                        //檢查該class是否被BootstrapClassLoader加載
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } 
                catch (ClassNotFoundException e)
                {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }
                if (c == null)
                {
                    //如果上述兩步均沒有找到加載的class，則調用findClass()方法
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve)
            {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

　　這個方法首先檢查指定class是否已經被加載，如果已被加載過，則調用resolveClass()方法鏈接指定的類,如果還未加載，則先將搜索類或資源的任務委托給其父類加載器，檢查該class是否被BootstrapClassLoader加載，如果上述兩步均沒有找到加載的class，則調用findClass()方法，在我們自定義的加載器中，我們重寫了findClass方法，去我們指定的路徑下加載class文件。

　　另外，我們自定義的類加載器沒有指定父加載器，在JVM規范中不指定父類加載器的情況下，默認采用系統類加載器即AppClassLoader作為其父加載器，所以在使用該自定義類加載器時，需要加載的類不能在類路徑中，否則的話根據雙親委派模型的原則，待加載的類會由系統類加載器加載。如果一定想要把自定義加載器需要加載的類放在類路徑中, 就要把自定義類加載器的父加載器設置為null。 

　　方式二：繼承URLClassLoader類，然后設置自定義路徑的URL來加載URL下的類。

　　我們將指定的目錄轉換為URL路徑，然后重寫findClass方法。

六、實現類的熱部署

　　1、什么是類的熱部署？

　　所謂熱部署，就是在應用正在運行的時候升級軟件，不需要重新啟用應用。

　　對於Java應用程序來說，熱部署就是運行時更新Java類文件。在基於Java的應用服務器實現熱部署的過程中，類裝入器扮演着重要的角色。大多數基於Java的應用服務器，包括EJB服務器和Servlet容器，都支持熱部署。

　　類裝入器不能重新裝入一個已經裝入的類，但只要使用一個新的類裝入器實例，就可以將類再次裝入一個正在運行的應用程序。

　　2、如何實現Java類的熱部署

　　前面的分析，我們已經知道，JVM在加載類之前會檢查請求的類是否已經被加載過來，也就是要調用findLoadedClass方法查看是否能夠返回類實例。如果類已經加載過來，再調用loadClass會導致類沖突。

　　但是，JVM判斷一個類是否是同一個類有兩個條件：一是看這個類的完整類名是否一樣(包括包名)，二是看加載這個類的ClassLoader加載器是否是同一個(既是是同一個ClassLoader類的兩個實例，加載同一個類也會不一樣)。

　　所以，要實現類的熱部署可以創建不同的ClassLoader的實例對象，然后通過這個不同的實例對象來加載同名的類。

七、參考資料

　　1、http://www.2cto.com/kf/201403/284030.html